Les besoins de l’industrie aéronautique en matière de contrôle d’écoulements peuvent trouver réponse parmi des possibilités offertes par les microtechnologies. Ce travail présente le dimensionnement, la réalisation et la caractérisation d’actionneurs MEMS générateurs de microjets synthétiques à membrane souple pour le contrôle actif d’écoulements. On y trouve aussi la réalisation d’un prototype de microcapteur à fil chaud pour la caractérisation d’écoulements aérauliques submillimétriques. Le travail s’appuie sur des études analytiques, des simulations et des expériences sur les microdispositifs réalisés. La technique d’actionnement électromagnétique utilisée apparaît comme la plus adaptée aux forces nécessaires pour l’obtention des performances souhaitées. L’encombrement des dispositifs est inférieur au centimètre cube et leur consommation maximale est de 600 mW. Le fonctionnement optimal se situe sur une plage de fréquences comprise entre 400 Hz et 700 Hz. Pour un orifice de sortie de 600 µm de diamètre, le dispositif affiche des vitesses maximales comprises entre 25 m/s et 55 m/s. Des prototypes de capteur de type fil chaud d’échelle submillimétrique ont également été réalisés. Plusieurs longueurs d’élément sensible ont été élaborées (entre 100 µm et 600 µm) sur un support en couche mince de diamant nanocristallin de 600 µm de long. L’aboutissement de ce procédé technologique constitue un premier pas vers l’obtention de microcapteurs robustes adaptés à la caractérisation d’écoulements aérauliques à l’échelle submillimétrique et vers la constitution d’un système de contrôle réactif d’écoulement. / Active flow control applications for the aeronautical industry can benefit from the possibilities of microtechnologies. This thesis presents a synthetic microjet generator for active flow control that has been designed, fabricated and characterized. The fabrication of a hot-wire microsensor prototype for submillimetric airflow characterization is shown as well. Analytical studies, numerical simulations and experimental tests of the fabricated microdevices were performed. Electromagnetic actuation is used as driving technique because it stands out as the best adapted means for providing the necessary forces for the desired performances. The size of the fabricated microdevices does not exceed one cm3 and their maximum consumption reaches 600 mW. Optimum working point is in the frequency range between 400 Hz and 700 Hz. In this range, a 600 µm diameter outlet microdevice reaches maximum speeds between 25 m/s and 55 m/s. Micro hot-wire sensor prototypes have also been fabricated. Several wire-lengths were produced (between 100 µm and 600 µm) over a 600 µm long thin-film nanocristalline diamond support structure. The validation of this technological process is a first step towards both the realization of robust microsensors adapted to submillimetric airflow characterization and the integration of a complete reactive flow control system.

Pour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement. / To improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow.

De nombreuses recherches sont actuellement menées afin de réduire les émissions polluantesdes aéronefs. Le contrôle actif des écoulements aérodynamiques est une piste envisagéepour répondre à ces enjeux. Parmi les technologies de contrôle en développement, lestechnologies plasma offrent plusieurs avantages, dont la compacité, la simplicité de mise enoeuvre et la réactivité. Ce travail de thèse a été consacré à l’étude d’un actionneur plasmade type jet synthétique. Il se présente sous la forme d’une petite cavité insérée en paroiet reliée à l’extérieur par une tuyère. Un arc électrique est généré dans la cavité, ce quientraîne une augmentation de la pression de l’air dans celle-ci. Par conséquent, un jet estproduit à la sortie de la tuyère, et celui-ci peut interagir avec l’écoulement extérieur. A lasuite de cette phase d’éjection, de l’air extérieur est naturellement aspiré par la cavité, cequi permet au processus d’être répété à des fréquences pouvant atteindre plusieurs kilohertz.L’objectif de ce travail de thèse est de construire un modèle numérique capable dereproduire ces phénomènes physiques. Pour cela, un calcul aérodynamique de type LargeEddy Simulation est mis en oeuvre. L’action du plasma d’arc est prise en compte au traversde termes sources dans l’équation de l’énergie. Ces derniers sont notamment calculés grâceà l’hypothèse d’équilibre thermodynamique local dans le plasma. De plus, l’augmentationde la température dans la partie solide de l’actionneur est simulée lorsque celui-ci est opéréà haute-fréquence. Les résultats du modèle numérique sont comparés à des mesures de vitesseeffectuées lorsque l’actionneur fonctionne dans un environnement extérieur au reposet lorsque celui-ci interagit avec une couche limite. / Nowadays, many studies are conducted in order to decrease greenhouse gases and noiseemissions from aircrafts. Active aerodynamic flow control is a way considered to meet thesechallenges. Among developed technologies of control, plasma actuators offer several advantages,including compactness, easy implementation and fast response. This thesis is devotedto the study of a plasma synthetic jet actuator which comes in the form of a small cavityinserted in wall and connected to the environment through a nozzle. An electrical arc isgenerated in the cavity, resulting in an increase of the cavity air pressure. Consequently,a jet is produced at the nozzle exhaust that can interact with the external flow. After thisejection phase, an aspiration phase naturally occurs, allowing the process to be repeatedat a frequency that can reach several kilohertz. This thesis aims at building a numericalmodel able to reproduce these physical phenomena. To do so, a Large Eddy Simulationis performed. The action of the plasma arc is taken into account through source terms inthe energy equation. In particular, these source terms are calculated using the assumptionof local thermodynamic equilibrium in the plasma. In addition, the heating of the actuatormaterials is simulated when it is operated at high frequency. The results from the numericalmodel are compared with velocity measurements, carried out when the actuator works ina quiescent environment and when it interacts with a boundary layer.

L’amélioration des performances aérodynamiques et environnementales est un enjeu majeur dans le domaine des transports terrestres et aériens. Pour pouvoir répondre à ses exigences, une des solutions est de contrôler les écoulements. Pour cela, des actionneurs performants sont nécessaires. Une technique innovante, le jet synthétique par plasma (JSP), consiste à appliquer une décharge haute tension dans une micro cavité. Un plasma est ainsi créé dans la chambre augmentant en quelques microsecondes la température et la pression du gaz générant un micro-jet par l’orifice de l’actionneur. Le but de la thèse est de développer cet actionneur, d’en comprendre son fonctionnement et de le mettre en oeuvre pour contrôler le bruit d’un jet subsonique à grand nombre de Mach.La première partie de l’étude s’applique à définir les besoins pour le contrôle d’écoulement et de réaliser un prototype d’actionneur. Il est ensuite caractérisé expérimentalement par des mesures de la décharge électrique et de l’aérodynamique du micro-jet. En s’inspirant du modèle de Braginskii, un modèle simple de la décharge électrique est réalisé et appliqué au JSP. Le rendement de l’actionneur en est déduit. Le modèle de Braginskii modifié est ensuite couplé à une modélisation URANS ce qui permet de simuler le fonctionnement en fréquence de l’actionneur. Ces résultats sont ensuite comparés avec les mesures de l’aérodynamique du micro-jet et montrent un excellent accord.L’actionneur est ensuite mis en application pour contrôler le bruit de jet. En premier lieu, des visualisations par strioscopie de l’interaction des micro-jets avec le jet principal sont effectuées. Des mesures acoustiques sont ensuite réalisées etmettent en évidence que les JSP sont de bons candidats pour contrôler le bruit de jet. / Improvement of aerodynamics and environmental performances is a major issue for terrestrial and aeronautical industry.For fulfilling increasing demand, one of the answers is flow control. To achieve flow control, high performance actuators are needed. An innovative technique called Plasma Synthetic Jet actuator consists on applying an electrical discharge in asmall cavity. Plasma is created and increases gas temperature and pressure which results on the creation of a micro-jet through cavity opening.The PhD objectives are to develop the PSJ actuator, to describe actuator mechanisms and to apply it for controlling noise of a high subsonic jet. The first part of the study consists on defining flow control needs and on developing a PSJ actuator prototype. Then,actuator performances are characterised using electrical measurements of the discharge and using aerodynamic measurements. These measurements show that an electrical model of the discharge is needed. Based on the Braginskii model, a simple model is carried out and is applied to the actuator. Efficiency of the PSJ is deduced.The modified Braginskii model is then coupled with an URANS model to achieve frequency modelling of the actuator. Results match aerodynamics measurements .PSJ actuators are applied for controlling jet noise in a second part of the study. Schlieren visualisations are used to show micro-jet interaction with the main jet. Acoustic measurements are then performed and show that the PSJ is a goodactuator to control high subsonic jet noise.

La politique européenne recommande aux industriels de l'aéronautique de concevoir des aéronefs capables de proposer une réduction de 50% du bruit perçu, de 50% de la consommation et de 80% des émissions de gaz NOx d'ici 2020. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu'ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle en boucle fermée du décollement d'une rampe arrondie par un jet synthétique réglable en fréquence et en amplitude. Le mémoire s'articule autour de deux axes principaux. Le premier axe a permis d'étudier la réponse du décollement à une perturbation périodique par simulations numériques de type LES afin de poursuivre la compréhension de la phy- sique impliquée dans le contrôle et de définir des objectifs de contrôle. Les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second axe a été consacré au contrôle en boucle fermée de la réponse quasi-statique du système par l'application de stratégies de régulations PID, extremums-seekings optimisés et logique floue. Leur conception a nécessité l'identification d'un modèle boîte-noire non-linéaire NARX. Les algorithmes non-linéaires, en particulier celui par logique floue, se sont montrés particulièrement performants. La démarche a été validée grâce à une application en temps réel d'une régulation extremum-seeking sur simulation RANS instationnaire.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer. / Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore.

Les stratégies de contrôle d’écoulement, telles que le soufflage / aspiration, ont prouvé leur efficacité à modifier les caractéristiques d’écoulement à des fins diverses en cas de configurations usuellement simples. Pour étendre cette approche sur des cas industriels, la simulation de dispositifs à échelle réelle et l’optimisation des paramètres de contrôle s’avèrent nécessaires. L’objectif de cette thèse est de mettre en place une procédure d’optimisation pour résoudre cette catégorie de problèmes. Dans cette perspective, l’organisation de la thèse est divisé en trois parties. Tout d’abord, le développement et la validation d’un solveur d’écoulement turbulent compressible instationnaire, résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) dans le cadre d’une discrétisation mixte de type éléments finis / volumes finis (MEV) sont présentés. Une attention particulière est portée sur la mise en œuvre de modèles numériques de jet synthétique à l’aide de simulations sur une plaque plane. Le deuxième axe de la thèse décrit et valide la mise en œuvre d’une méthode d’optimisation globale basée sur un modèle réduit du type processus gaussien (GP), incluant une approche de filtrage d’erreurs numériques liées aux observations. Cette méthode EGO (Efficient Global Optimization), est validée sur des cas analytiques bruités 1D et 2D. Pour finir, l’optimisation de paramètres de contrôle de jet synthétique sur deux cas test pertinents pour les industriels : un profil d’aile NACA0015, avec objectif de maximiser la portance moyenne et une marche descendante avec objectif de minimiser la longueur de recirculation moyenne. / Active flow control strategies, such as oscillatory blowing / suction, have proved their efficiency to modify flow characteristics for various purposes (e.g. skin friction reduction, separation delay, etc.) in case of rather simple configurations. To extend this approach to industrial cases, the simulation of a large number of devices at real scale and the optimization of parameters are required. The objective of this thesis is to set up an optimization procedure to solve this category of problems. In this perspective, the organization of the thesis is split into three main parts. First, the development and validation of an unsteady compressible turbulent flow solver using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) using a Mixed finite-Element/finite-Volume (MEV) framework is described. A particular attention is drawn on synthetic jet numerical model implementation by comparing different models in the context of a simulation over a flat plate. The second axis of the thesis describes and validates the implementation of a Gaussian Process surrogate model based global optimization method including an approach to account for some numerical errors during the optimization. This EGO (Efficient Global Optimization) method, is validated on noisy 1D and 2D analytical test cases. Finally, the optimization of two industrial relevant test cases using a synthetic jet actuator are considered: a turbulent flow over a NACA0015 for which the time-averaged lift is regarded as the control criterion to be maximized, and an incompressible turbulent flow over a Backward Facing Step for which the time-averaged recirculation length is minimized.